作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 原位s-SNOM原理
(一)原位SNOM原理示意图
我们使用通过在钯-金膜上热蒸发10纳米钯、5纳米钛和50纳米镁实现的独立式薄膜
这允许从下面进行氢化
当镁薄膜吸收氢时，s-SNOM装置的金属化原子力显微镜尖端扫描上表面以研究局部光学特性
此外，氢氧化镁特有的红外声子使化学特异性成像成为可能
镁层与空气接触，导致氧化
然而，非常薄的氧化镁层对氢氧化镁声子频率的成像是透明的，几乎不影响我们的SNOM测量
(B和C)光学图像(在反射中拍摄)，分别显示处于原始状态和氢气暴露60分钟(1巴下2%)后的SNOM悬臂梁和独立式镁膜
摄影学分:J
喀斯特(斯图加特大学)
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aaz0566 具有极端材料对比度和可忽略退化的短切换时间的可切换材料可以有助于有源等离子体和纳米光子系统
为了理解它们的最高属性，研究人员必须收集关于纳米观过程的深入知识
在《科学进展》杂志上发表的一项新研究中，朱利安·喀斯特和德国斯图加特大学的一组科学家利用独立式薄膜在实验室中进行纳米成像，研究了金属镁到电介质氢化镁的相变动力学的纳米细节
该团队利用特征性的镁氢声子共振来获得材料状态之间前所未有的化学特异性
结果揭示了纳米晶形成过程中发生的成核过程
与宏观传播动力学相比，他们在纳米尺度上测量到了更快的氢化物相传播
该创新方法提供了一种工程策略，以克服具有实质性影响的有限扩散系数，从而设计、开发和分析可转换相变、储氢和发电材料
保持显著的金属-绝缘体相变的材料是可切换光学和纳米光学系统的主要候选材料，并且已经经历了广泛的研究
这种材料在从金属相转变为介电相的过程中会经历光学性质的极端变化，以形成高度相关的可切换光学和有源等离子体激元系统
在这项工作中，喀斯特等人
选择镁作为典型的材料体系，因为它主要在储氢方面得到了广泛的研究
在最初的金属状态下，镁是一种极好的等离子体材料
当元素暴露于氢(H2)时，发生从金属镁到电介质氢化镁(二氢化镁)的相变，以形成高度透明的电介质材料
在完全循环转变中，镁氢相可逆地转变为金属镁态
该概念允许研究人员控制和可逆地开关镁纳米结构的等离子共振，用于可切换亚表面(如镁-镁-氢)、动态全息术或等离子彩色显示器
纳米尺度的氢扩散过程，也显示了相应的散射振幅图像
学分:科学进步，doi: 10
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aaz0566 在实验过程中，科学家们使用了预涂有2到3纳米钯膜的金网格
钯起到催化层的作用，使氢分子分裂并扩散到镁膜中
该团队使用钛来防止镁和钯之间的合金化，这可能形成了氢扩散屏障
在实验装置中，氢气进入自支撑薄膜，而镁仍然可以进入散射型扫描近场光学显微镜(s-SNOM)测量
喀斯特等
扫描暴露的镁表面上的SNOM尖端，以观察和研究氢化物形成和氢以纳米分辨率扩散到膜中的时间动力学
当他们把薄膜暴露在浓度为2%的氮气(N2)中时，高反射性的金属镁薄膜变成了电介质氢氧化镁，呈现黑色
s-SNOM测量提供了两个主要的量，拓扑信息和关于相对于复介电函数的局部光学特性的信息
该团队随后在样品表面光栅扫描了s-SNOM装置内的原子力显微镜悬臂，以提供表面形貌
解调和检测技术使他们能够获得纳米级分辨率的局部特性信息
为了探索材料的局部特性，喀斯特等人
用强光场照射尖端，注意到散射幅度受薄膜形貌和局部性质变化的影响
然而，检测到的镁(蓝色)和镁氢(红色)区域的散射相位由于镁氢的特征红外声子而显示出强烈的相位对比，以描述与金属区域相比氢化区域的明显特征
基于这些发现，喀斯特等人
通过将相图与晶界图重叠来检查散射相图，进一步研究了独立式镁膜的氢化，以在选定的时间步长内观察镁的原位氢吸收
镁-镁氢相变的近场现象
在室温下氢化10分钟后，50纳米镁膜的原始状态的相同面积的SNOM测量
形貌描述了氢化过程中多晶镁膜的单个纳米晶体的膨胀
机械相φ机制表明多晶镁膜的单个纳米晶之间有清晰的晶界
通过应用边缘检测滤波器，我们提取这些晶粒边界的掩模
(3)当金属镁变成电介质镁时，散射振幅s4(四阶解调)下降
然而，散射幅度也受到表面粗糙度的很大影响，因为在(C)中绘制的二维(2D)扫描中可以看到晶界
这导致在镁已经转变为镁氢的情况下的测定不准确，因为光学性质的改变和表面形态/粗糙度的改变都会改变散射振幅
散射相φ4在金属镁(蓝色外观)和电介质镁氢(红色外观)之间显示出非常高的材料对比度
这是通过在氢氧化镁的特征红外声子共振下进行s-SNOM测量来实现的，并且允许氢扩散的化学特异性纳米级成像，而不受表面形貌的影响
2D图像被来自(B)的晶界掩模覆盖
镁(蓝色)和镁氢(红色)近场散射相的纳米红外光谱
该图显示了四个位置的平均值和标准差
镁氢的独特声子共振在v = 1320cm-1处达到峰值，并导致镁氢和镁之间δφ≈130的最大散射相位差
学分:科学进步，doi: 10
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aaz0566 氢向50纳米镁薄膜扩散动力学的化学特异性原位纳米成像
我们绘制了在氢加载过程的几个时间步的散射相φ4的2D-SNOM图像
所有扫描都以v = 1280cm-1的照明频率进行
与金属镁相比，氢化区域(电介质镁氢)导致光学相的大的偏移，如由蓝到红的转变所示
用晶界掩模覆盖可以很好地跟踪氢氧化镁的形成，并详细研究氢在镁薄膜中的扩散机制
我们发现氢化物的形成是在晶界成核的，随后是这些成核中心的生长过程
氢化前沿从一个晶粒到另一个晶粒，直到氢氧化镁通道在整个膜表面形成
虽然表面没有完全从镁转变为氢氧化镁，但是相形成停止
学分:科学进步，doi: 10
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aaz0566 氢化过程中的垂直膨胀
氢暴露2、10、20和60分钟后镁薄膜的形貌
首先，出现了小峰值
氢化时间越长，表面越粗糙/越不平整
(乙和丙)2D图像的局部垂直扩展和他们的直方图相同的时间步骤(甲)显示局部垂直扩展超过60%
通过对每个直方图进行积分来计算平均垂直扩展
(四)平均垂直扩展与时间的关系
对于完全氢化的镁膜来说，其膨胀率预计为30%
由于我们的50纳米镁膜中的氢吸收已经饱和，而金属镁的区域仍然存在，我们达到了大约25%的最大平均垂直膨胀
这可以用氢化前沿通过镁膜在垂直方向上的传播来解释
学分:科学进步，doi: 10
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aaz0566 进一步的分析使研究小组能够区分纳米尺度和宏观尺度的氢化物相在镁中的传播动力学，从而在单个晶粒的尺度上提供氢化的洞察力
氢在镁膜中的扩散取决于材料的形态
在每个单独的晶粒之后，膜的氢化停止，允许在下一个晶粒转变之前新的成核
然而，即使在氢化60分钟后，研究小组在膜表面观察到大量原始金属镁，这与以前关于镁的文献相矛盾
喀斯特等
将这种行为归功于几个因素，包括在装置中形成的阻止垂直氢锋进程的阻挡层，这可能使表面处于原始状态
他们还指出，氢暴露时薄膜形态的变化和薄膜膨胀是可能的影响因素
通过这种方式，朱利安·喀斯特和他的同事在实验室里用SNOM研究了纳米尺度的氢扩散动力学
基于氢氧化镁的特征红外声子共振，他们允许化学特异性跟踪氢化物形成、成核和横向生长
该过程受到镁膜的纳米级形态的高度影响，这也是氢在整个膜中缓慢扩散的原因
研究小组注意到氢化过程在整个薄膜转换之前是如何停止的，在电介质氢氧化镁中留下了金属镁的区域
这些发现对一系列使用镁和其他过渡材料的主动光学和等离子体系统有直接影响
这项工作为增强和理解可转换材料的扩散动力学、动力学和相变效率迈出了重要的一步
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